Вопрос 3. Аэрозоли, дымы, туманы.

Размер частиц аэрозолей лежит в пределах от 10^-5 до 10^{-2 см. Например, капельки обычного тума­на имеют размер порядка 5-10-5 см, частицы табач­ного дыма — от 10-4} до 10^{-3 см, природная пыль — от 10-4} до 10^{-2 см.}

Как и любые дисперсные системы, аэрозоли мо­гут быть образованы двумя методами — конденсаци­онным и диспергационным. К конденсационному ме­тоду относится возникновение тумана при охлажде­нии насыщенного пара. В результате реакции между хлороводородом и аммиаком в газовой фазе полу­чаются твердые частицы хлорида аммония, образую­щие в воздухе белый дым.

При диспергационных методах получения аэрозо­лей твердые или жидкие вещества размельчаются обычно механическим путем, а затем твердые части­цы или жидкие капельки распределяются в газе. Так образуется мучная пыль на мельницах, пыль сахар­ной пудры и порошка какао на кондитерских пред­приятиях. Широко распространено пневматическое распыление жидкостей с помощью так называемых аэрозольных баллончиков при получении парфюмерно-косметических аэрозолей, аэрозолей инсектицидов, эмалей.

Специфические свойства аэрозолей — термофорези теплопреципитация, т. е. удаление дисперсных частиц от нагретой поверхности и оседание частиц дисперсной фазы аэрозолей на холодной поверхности. Эти свойства объяс­няются тем, что молекулы газа движутся от более горя­чей поверхности с большой скоростью и «толкают» дис­персные частицы аэрозолей и более холодным участкам пространства.

Другое свойство аэрозолей — фотофорез, т. е. движе­ние частиц по направлению к источнику света или от источника света. Пока фотофорез не имеет обоснованного теоретического объяснения.

    По оптическим свойствам аэрозоли мало чем отличаются от обычных коллоидных растворов, для них также характерно светорассеяние. Однако вслед­ствие большой разницы в показателях преломления газовой дисперсионной среды и жидкой или твердой дисперсной фазы для аэрозолей характерно более интенсивное светорассеяние, и они не пропускают свет. На этом свойстве аэрозолей основано примене­ние маскировочных дымовых завес. Благодаря све­торассеянию аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, могут уменьшать интенсивность солнеч­ной радиации и влиять на климатические условия.

Очень низкая вязкость и малая плотность газовой дисперсионной среды влияют на характер движения частиц в аэрозолях, на их молекулярно-кинетические свойства. Достаточно крупные частицы аэрозолей под действием силы тяжести должны были бы осесть, однако благодаря конвекционным потокам - воздуха они могут находиться долго во взвешенном состоя­нии, т. е. аэрозоли обладают своеобразной седиментационной устойчивостью.

У частиц аэрозолей нет двойного электрического слоя, но в определенных условиях они приобретают электрический заряд (электризация частиц). Заряд частиц аэрозолей может появиться в результате тре­ния при их распылении или вследствие адсорбции на поверхности частиц газовых ионов, образующихся под действием космических лучей.               Экспериментально установлено, что обычно частицы аэрозолей метал­лов и их оксидов несут отрицательный заряд, частицы неметаллов заряжены положительно. Положи­тельно заряжены частицы аэрозоля крахмала, отри­цательно — частицы муки. В отличие от коллоидных систем, в которых заряд частицы определяется изби­рательной адсорбцией ионов, величину и знак заряда частиц аэрозолей заранее предвидеть нельзя.

Электризация частиц может произойти при получении аэрозолей методом диспергирования, причем крупные и мелкие частицы приобретают заряды про­тивоположных знаков. В аэрозолях больших объе­мов, например в облаках, постепенно может происхо­дить разделение частиц по высоте. Более тяжелые крупные частицы концентрируются в нижней части объема, более мелкие — в верхней. Так как эти частицы несут противоположные по знаку заряды, товозникает электрическое поле высокой напряженно­сти. Если напряженность поля будет больше, чем 300 В/см, то возможен пробой воздуха, т. е. молния.

Электрические заряды отдельных частиц аэрозо­лей очень невелики, и поэтому они не могут опреде­лять агрегативную устойчивость аэрозолей. При высо­кой дисперсности и седиментационно устойчи­вости аэрозоли агрегативно неустойчивы. Для них характерна быстрая коагуляция, особенно если аэрозоли полидисперсные и частицы их противопо­ложно заряжены. Укрупнение частиц аэрозолей, в частности капелек тумана, возможно и при изотер­мической перегонке, при которой мелкие капельки испаряются и за счет этого увеличивается размер крупных капель.

Аэрозоли имеют большое практическое значение в ряде отраслей промышленности и сельского хозяй­ства. Иногда их специально получают, и они являют­ся полезными, в других случаях они образуются са­мопроизвольно и, как правило, нежелательны.

Очень широко применяют аэрозоли в сельском хозяйстве для борьбы с вредными насекомыми. Для опыления лесов и полей наиболее эффективны ядохи­микаты в виде аэрозолей. С помощью аэрозолей за­щищают фруктовые сады от заморозков. Дым, ко­торый образуется при горении костров, препятствует тепловому излучению поверхности земли и на ка­кое-то время создает в саду теплый микроклимат.

Жидкое топливо сжигают в топках в распылен­ном состоянии, т. е. в виде аэрозоля.

Различные поверхности часто окрашивают путем пневматического распыления красок и лака. Этот ме­тод окраски очень производителен и обеспечивает получение равномерного покрытия высокого каче­ства.

Аэрозоли широко применяют в медицине для вве­дения лекарственных препаратов через дыхательные пути непосредственно в легкие, где они легко всасы­ваются и быстро поступают в кровь.

Один из самых распространенных процессов в технике — это высушивание.

В промышленности, в том числе и в пищевой, проводят высушивание в распылительных сушилках. Подлежащая сушке жидкость, обычно представляющая собой растворнелетучего компонента в летучем растворителе, распыляется до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Благодаря большой удельной поверхности аэрозоля испарение идет очень интенсивно, и сушка осуществляется за 15—20 с. Таким способом получа­ют сухие молоко, кровь, альбумин.

Часто аэрозоли нежелательны, так как могут приносить большой материальный ущерб. В очень мно­гих производствах вместе с дымом в воздух выбра­сываются громадные количества ценных веществ, которые загрязняют окрестности, уничтожают расти­тельность и отрицательно влияют на здоровье людей. Особенно опасны аэрозоли для людей, работающих на производствах, на которых возможно образова­ние мельчайших твердых частиц. Даже химически инертные вещества в виде аэрозолей могут вызвать ряд легочных заболеваний.

Особое место среди аэрозолей занимают биоаэро­золи. Это микроорганизмы, в том числе вирусы, пыльца и споры растений, взвешенные в воздухе. Пыльца, выделяемая цветущими растениями, легко переносится потоками воздуха и, попадая в дыха­тельные пути, вызывает у некоторых людей заболе­вание — аллергию. Биоаэрозоли, особенно аэрозоли вирусов, способствуют распространению инфекцион­ных болезней.

Пыли многих веществ образуют с воздухом взры­воопасные смеси и поэтому могут быть причиной серьезных аварий на производствах.

Взрыв — одна из разновидностей реакции горения, протекаю­щая очень быстро с выделением тепла и большого количества газообразных продуктов сгорания. При горении твердых частиц процесс начинается с поверхности, а так как у аэрозолей удель­ная поверхность очень велика, то и горение идет с очень боль­шой скоростью, т. е. со взрывом. Для взрыва необходима определенная концентрация пыли в воздухе (табл. 3) и, кроме того, должен быть источник воспламенения.

Источником воспламенения может служить открытый огонь (пламя спички, горящая папироса), искры в неисправных элек­трических приборах, разряд статического электричества. Для предотвращения взрывов горючей пыли необходимо строго со­блюдать противопожарные мероприятия, применять специальные герметичные электрические приборы и должны быть приняты меры для снятия статического электричества (заземление).

Таблица 3. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) по взрывоопасности в воздухе некоторых пылей пищевых производств

Существует много методов разрушения аэрозолей, в основе которых лежат такие процессы, как инер­ционное осаждение, фильтрация, электростатическое осаждение и коагуляция. Выбор метода разрушения зависит от вида аэрозоля (химической природы и размера его частиц).

Инерционное осаждение проводят в устройствах, называемых циклонами. Циклон представляет собой металлический цилиндр, в котором поток воздуха с частицами пыли движется по спирали. При этом частицы отбрасываются на стенки и оседают на них. Циклоны применяют для разделения грубых аэрозо­лей с крупными частицами.

Мелкие частицы можно отделить с помощью тка­невых или волокнистых фильтров. В качестве фильт­ров обычно применяют хлопчатобумажные, синтети­ческие или шерстяные ткани. Действие этих фильт­ров основано на механическом задержании частиц, не проходящих через поры ткани. Тканевые фильтры легко забиваются, поэтому их применяют для осаж­дения аэрозолей низкой концентрации. Волокнистые фильтры изготавливают из смеси шерсти или хлопка с асбестом, из стеклянной ваты и других материалов. Часто используют и специальную фильтровальную бумагу. Действие волокнистых фильтров сводится к инерционному осаждению на них частниц аэрозоля.Поток аэрозоля, проходя через фильтр и огибая волокна, непре­рывно меняет свое направление, при этом частицы аэрозоля за­держиваются на поверхности во­локон. Разработаны фильтры из ультратонких волокон, способ­ные отделять частицы размером 10^{-4 см.}

Один из методов разрушения облаков и туманов основан на коагуляции аэрозолей. Ее осуществляют распылением в аэрозоль гигроскопических веществ или твердого диоксида углерода, частицы которых становятся центрами конденсации или кристаллиза­ции. Коагуляцию аэрозолей можно вызвать также воздействием на них ультразвука. Ультразвук уско­ряет движение частиц аэрозоля и способствует со­единению их в крупные агрегаты, которые затем лег­ко отделяются в циклонах.

Аэрозоли используются в военном деле для маскиров­ки в виде дымовых завес. В сельском хозяйстве — для борьбы с вредителями, для защиты растений от внезапных заморозков. В медицине широко используется аэрозольный метод лекарственной терапии. Различные поверхности ча­сто окрашивают путем пневматического распыления кра­сок и лака. Этот метод окраски более производителен, чем обычный, и обеспечивает равномерное покрытие вы­сокого качества. Жидкое и твердое топливо эффективно сжигать в распыленном состоянии, в виде аэрозоля, так как чем лучше оно перемешивается с воздухом, тем пол­нее сгорает. Поэтому в камеру сгорания движется топливо поступает в мелкодисперсном состоянии.